轻松读懂：微流控技术原理及发展史
2020-10-9 09:45|
编辑: 归去来兮|
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摘要: 微型化、集成化和智能化，是现代科技发展的一个重要趋势。伴随着微机电加工系统（ MEMS ）技术的发展，电子计算机已由当年的”庞然大物”演变成由一个个微小的电路集成芯片组成的便携系统，甚至是一部微型的智能手机 ...
微型化、集成化和智能化，是现代科技发展的一个重要趋势。伴随着微机电加工系统（ MEMS ）技术的发展，电子计算机已由当年的”庞然大物”演变成由一个个微小的电路集成芯片组成的便携系统，甚至是一部微型的智能手机。
MEMS技术全称Micro Electromechanical System ， MEMS设想是由诺贝尔物理学奖获得者Richard Feynman教授于1959年提出，其基本概念是用半导体技术，将现实生活中的机械系统微型化，形成微型电子机械系统，简称微机电系统。1962年全球第一款微型压力传感器面世，这一创新产品后来被应用于汽车安全（轮胎压力检测）和医疗（有创血压计），开启了MEMS时代。今天MEMS技术在军事、航天航空，生物医药、工业交通及消费领域扮演核心技术的角色，智能手机中就嵌入了多个MEMS芯片，如麦克风，加速度计，GPS定位等。微流控（microfluidics ）是一种精确控制和操控微尺度流体，以在微纳米尺度空间中对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能诸如样品制备、反应、分离和检测等缩微到一个几平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。是一个涉及了工程学、物理学、化学、微加工和生物工程等领域的交叉学科。微流控是系统的科学技术，它使用几十到几百微米尺度的管道，处理或操控很少量的（10*至10~18升，1立方毫米至1立方微米） 流体。最初的微流控技术被用于分析。微流控为分析提供了许多有用的功能：使用非常少的样本和试剂做出高精度和高敏感度的分离和检测，费用低，分析时间短，分析设备的印记小。微流控既利用了它最明显的特征一一尺寸小，也利用了不太明显的微通道流体的特点，比如层流。它本质上提供了在空间和时间上集中控制分子的能力。1、微流控分析芯片是新一代床旁诊断（Point of care testing，POCT ）主流技术，可直接在被检对象身边提供快捷有效的生化指标，使现场检测、诊断、治疗成为一个连续的过程；2、 微流控反应芯片以液滴为代表，是迄今为止最重要的微反应器，在高通量药物筛选，单细胞测序等领域显示了巨大的威力；3、微流控细胞/器官操控芯片是哺乳动物细胞及其微环境操控最重要技术平台，渴望部分代替小白鼠等动物模型，用于验证候选药物，开展药物毒理和药理作用研究。（1）光刻和刻蚀技术传统的用于制作半导体及集成电路芯片的光刻和刻蚀技术，是微流控芯片加工工艺中最基础的。它是用光胶、掩膜和紫外光进行微细加工，工艺成熟，已广泛用于硅、玻璃和石英基片上制作微结构。光刻和刻蚀技术由薄膜沉积、光刻和刻蚀三个工序组成。复杂的微结构可通过多次重复薄膜沉积-光刻刻蚀这三个工序来完成。
光刻前先要在干净的基片表面覆盖一层薄膜，薄膜的厚度为数埃到几十微米，这一工艺过程称之为薄膜沉积。薄膜按性能不同可分为器件工作区的外延层，限制区域扩张的掩蔽膜，起保护、钝化和绝缘作用的绝缘介质膜，用作电极弓|线和器件互连的导电金属膜等。膜材料常见有二氧化硅、氮化硅、硼磷硅玻璃、多晶硅、电导金属、光刻抗蚀胶、难熔金属等。制造加工薄膜的主要方法有氧化、化学气相沉积、蒸发、溅射等。在薄膜表面均匀地覆盖上一层光胶，将掩膜上微流控芯片设计图案通过曝光成像的原理转移到光胶层上的工艺过程称为光刻。光刻技术一般有以下基本工艺过程构成：通过脱脂、拋光、酸洗、水洗的方法使基片表面净化，确保光刻胶与基片表面有良好的粘附。在经过处理的基片表面均匀涂覆一层粘性好、厚度适当的光刻胶。胶膜太薄，易生成针孔，抗蚀能力差;太厚则不易彻底显影，同时会降低分辨率。光刻胶的实际厚度与它的粘度有关，并与甩胶机的旋转速度的平方根成反比。涂胶方法有旋转涂覆法、刷涂法、浸渍法、喷涂法。在一定的温度下，使光刻胶液中溶剂挥发，增强光刻胶与基片粘附以及胶膜的耐磨性。前烘的温度和时间由光致抗蚀剂的种类和厚度决定，常采用电热恒温箱、热空气或红外热源。前烘温度和时间要合适，若温度过高或时间过长会造成显影时留下底膜或感光灵敏度下降，腐蚀时出现小岛;若温度过低或时间过短，会造成显影后针孔增加，或产生浮胶、图形变形等现象。将已制备好所需芯片图形的光刻掩膜覆盖在基片上，用紫外线等透过掩膜对光刻胶进行选择性照射。受光照射的光刻胶发生化学反应。在实际操作中，曝光时间由光刻膜、胶膜厚度、光源强度以及光源与基片间距决定。曝光的方式有化学曝光、接触式和接近式复印曝光、光学投影成像曝光。用光胶配套显影液通过化学方法除去经曝光的光胶（正光胶）或未经曝光的光胶（负光胶），显影液和显影时间的选择对显影效果的影响很大。选择显影液的原则是，对需要去除的那部分胶膜溶解度大、溶解速度快，对需要保留的那部分溶解度小。显影时间视光致抗蚀剂的种类、胶膜厚度、显影液种类、显影温度和操作方法而异。将显影后的基片进行清洗后在一定温度下烘烤，以彻底除去显影后残留于胶膜中的溶剂或水分，使胶膜与基片紧密粘附，防止胶层脱落，并增强胶膜本身的抗蚀能力。坚膜的温度和时间要合适。刻蚀是将光胶层上的平面二维图形转移到薄膜上并进而在基片上加工成一定深度微结构的工艺。根据刻蚀剂状态不同，可将腐蚀工艺分为湿法刻蚀和干法刻蚀两大类。湿法刻蚀是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质间的化学反应将被刻蚀物质剥离下来的刻蚀方法。大多数湿法刻蚀是不容易控制的各向同性腐蚀。其特点是选择比高、均匀性好、对硅片损伤少，几乎适用于所有的金属、玻璃、塑料等材料。缺点是图形保真度不强，横向腐蚀的同时，往往会出现侧向钻蚀，以致刻蚀图形的最少线宽受到限制。干法刻蚀指利用高能束与表面薄膜反应，形成挥发性物质，或直接轰击薄膜表面使之被腐蚀的工艺。其最大的特点是能实现各向异性刻蚀，即在纵向的刻蚀速率远大于横向刻蚀的速率，从而保证细小图形转移后的保真性。干法刻蚀的作用基础是等离子体。用光刻的方法加工微流控芯片时，必须首先制造光刻掩模。掩膜的基本功能是基片受到光束照射时，在图形区和非图形区产生不同的光吸收和透过能力。用计算机制图系统将掩模图形转化为数据文件，再通过专用接口电路控制图形发生器中的曝光光源、可变光阑、工作台和镜头，在掩模材料上刻出所需的图形。或用微机通过CAD软件将设计微通道的结构图转化为图像文件后，用高分辨率的打印机将图像打印到透明薄膜上。此透明薄膜可作为光刻用的掩模，基本能满足微流控芯片对掩模的要求。（2）热压法热压法（hotembossing）是一-种应用较广泛的快速复制电泳微通道的芯片制作技术，适用于PMMA与PC等热塑性聚合物材料。热压法的模具可以是直径在50um以下的金属丝或是刻蚀有凸突的微通道骨片阳膜，如镍基阳模、单晶硅阳模、玻璃阳模、微机械加工的金属阳模。此法可大批量复制，设备简单，操作简便，但所用材料有限。（3）模塑法用光刻和刻蚀的方法先制出阳模（所需通道部分突起）;浇注液态的高分子材料，然后将固化后的高分子材料与阳模剥离，得到具有微通道芯片的这种制备微芯片的方法称为模塑法。模塑法的关键在于模具和高分子材料的选择，理想的材料应相互之间粘附力小，易于脱模。微通道的阳膜可由硅材料、玻璃、环氧基SU-8负光胶和PDMS等制造。硅或玻璃阳膜可采用标准刻蚀技术。PDMS模具可通过直接浇注于由硅材料、玻璃等材料制的母模上制得。浇注用的高分子材料应具有低粘度，低固化温度。在重力作用下，可充满模子上的微通道和凹槽等处。可用的材料有两类：固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。虽然模塑法受限于高分子材料，但该法简便易行，芯片可大批量复制，且不需要昂贵的设备，是一个可以制作廉价分析芯片的方法。注塑法的工艺是通过光刻和刻蚀技术在硅片上刻蚀出电泳芯片阴模，用此阴模进行24h左右的电铸，得到0.5cm厚的镍合金模，再将镍合金模加厚，精心加工制成金属注塑模具，将此模具安装在注塑机上批量生产聚合物微流控芯片基片。在注塑法制作过程中，模具制作复杂，技术要求高，周期长，是整个工艺过程中的关键步骤。一个好的模具可生产30~50万张聚合物芯片，重复性好，生产周期短，成本低廉，适宜于已成型的芯片生产。（5）LIGA技术LIGA是德文Lithographie，Galvanoformung，Abformung三个字的字头缩写。LIGA技术是由光刻、电铸和塑铸三个环节组成。准LIGA技术是用紫外光光源来代替LIGA技术中的同步辐射X光深层光刻，然后进行后续的微电铸和微复制工艺。它不需要同步辐射X光光刻和特制的X光掩膜板，有利于实现微机械器件的大批量生产。根据紫外光深层光刻的工艺路线的不同，准LIGA技术又可分为多层光刻-LIGA、硅模深刻蚀一LIGA和SU-8深层光刻一LIGA三类。（6）激光烧蚀法激光烧蚀法是一种非接触式的微细加工技术。它可直接根据计算机CAD的数据在金属、塑料、陶瓷等材料上加工复杂的微结构，已应用于微模和微通道的加工。这种方法对技术设备要求较高，步骤简便，而且不需超净环境，精度高。但由于紫外激光能量大，有一定的危险，需在标准激光实验室中进行操作，使用安全保护装备和防护眼镜。（7）软光刻软光刻（softlithography）是相对于微制造领域中占据主导地位的光刻而言的微图形转移和微制造的新方法，以自组装单分子层、弹性印章和高聚物模塑技术为基础的微细加工新技术。它能制造复杂的三维结构及不规则曲面;能应用于生物高分子、胶体、玻璃、陶瓷等多种材料;没有相关散射带来的精度限制，可以达到30nm~1um级的微小尺寸;因此软光刻是一种便宜、方便，适于实验室使用的技术。软光刻技术的核心是弹性模印章，可通过光刻蚀和模塑的方法制得。PDMS是软光刻中最常用的弹性模印章。软光刻的关键技术主要包括微接触印刷、再铸模、微传递成模、毛细管成模、溶剂辅助成模等。软光刻技术还存在着一些缺陷，如PDMS固化后有1%的收缩变形，而且在甲苯和乙烷的作用下，深宽比将出现一定的膨胀;PDMS的弹性和热膨胀性使其很难获得高的准确性，也使软光刻在多层面的微加工中受到限制;由于弹性模太软，无法获得大的深宽比，太大或太小的宽深比都将导至微结构的变形或扭曲。 |
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